聊聊java泛型實(shí)現(xiàn)的原理與好處

　　摘要： 和C++以模板來(lái)實(shí)現(xiàn)靜多態(tài)不同，Java基于運(yùn)行時(shí)支持選擇了泛型，兩者的實(shí)現(xiàn)原理大相庭徑。C++可以支持基本類型作為模板參數(shù)，Java卻只能接受類作為泛型參數(shù)；Java可以在泛型類的方法中取得自己泛型參數(shù)的Class類型，C++只能由編譯器推斷在不為人知的地方生成新的類，對(duì)于特定的模板參數(shù)你只能使用特化。在本文中我主要想聊聊泛型的實(shí)現(xiàn)原理和一些高級(jí)特性。

　　泛型基礎(chǔ)

　　泛型是對(duì)Java語(yǔ)言類型系統(tǒng)的一種擴(kuò)展，有點(diǎn)類似于C++的模板，可以把類型參數(shù)看作是使用參數(shù)化類型時(shí)指定的類型的一個(gè)占位符。引入泛型，是對(duì)Java語(yǔ)言一個(gè)較大的功能增強(qiáng)，帶來(lái)了很多的好處：

　　類型安全。類型錯(cuò)誤現(xiàn)在在編譯期間就被捕獲到了，而不是在運(yùn)行時(shí)當(dāng)作java.lang.ClassCastException展示出來(lái)，將類型檢查從運(yùn)行時(shí)挪到編譯時(shí)有助于開(kāi)發(fā)者更容易找到錯(cuò)誤，并提高程序的可靠性

　　消除了代碼中許多的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)了代碼的可讀性

　　為較大的優(yōu)化帶來(lái)了可能

　　泛型是什么并不會(huì)對(duì)一個(gè)對(duì)象實(shí)例是什么類型的造成影響，所以，通過(guò)改變泛型的方式試圖定義不同的重載方法是不可以的。剩下的內(nèi)容我不會(huì)對(duì)泛型的使用做過(guò)多的講述，泛型的通配符等知識(shí)請(qǐng)自行查閱。

　　在進(jìn)入下面的論述之前我想先問(wèn)幾個(gè)問(wèn)題：

　　定義一個(gè)泛型類最后到底會(huì)生成幾個(gè)類，比如ArrayList到底有幾個(gè)類

　　定義一個(gè)泛型方法最終會(huì)有幾個(gè)方法在class文件中

　　為什么泛型參數(shù)不能是基本類型呢

　　ArrayList是一個(gè)類嗎

　　ArrayList和List和ArrayList和List是什么關(guān)系呢，這幾個(gè)類型的引用能相互賦值嗎

　　類型擦除

　　正確理解泛型概念的首要前提是理解類型擦除（type erasure）。 Java中的泛型基本上都是在編譯器這個(gè)層次來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在生成的Java字節(jié)代碼中是不包含泛型中的類型信息的。使用泛型的時(shí)候加上的類型參數(shù)，會(huì)被編譯器在編譯的時(shí)候去掉。這個(gè)過(guò)程就稱為類型擦除。如在代碼中定義的List和List等類型，在編譯之后都會(huì)變成List。JVM看到的只是List，而由泛型附加的類型信息對(duì)JVM來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的。Java編譯器會(huì)在編譯時(shí)盡可能的發(fā)現(xiàn)可能出錯(cuò)的地方，但是仍然無(wú)法避免在運(yùn)行時(shí)刻出現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換異常的情況。類型擦除也是Java的泛型實(shí)現(xiàn)方式與C++模板機(jī)制實(shí)現(xiàn)方式之間的重要區(qū)別。

　　很多泛型的奇怪特性都與這個(gè)類型擦除的存在有關(guān)，包括：

　　泛型類并沒(méi)有自己獨(dú)有的Class類對(duì)象。比如并不存在List.class或是List.class，而只有List.class。

　　靜態(tài)變量是被泛型類的所有實(shí)例所共享的。對(duì)于聲明為MyClass的類，訪問(wèn)其中的靜態(tài)變量的方法仍然是 MyClass.myStaticVar。不管是通過(guò)new MyClass還是new MyClass創(chuàng)建的對(duì)象，都是共享一個(gè)靜態(tài)變量。

　　泛型的類型參數(shù)不能用在Java異常處理的catch語(yǔ)句中。因?yàn)楫惓Ｌ幚硎怯蒍VM在運(yùn)行時(shí)刻來(lái)進(jìn)行的。由于類型信息被擦除，JVM是無(wú)法區(qū)分兩個(gè)異常類型MyException和MyException的。對(duì)于JVM來(lái)說(shuō)，它們都是 MyException類型的。也就無(wú)法執(zhí)行與異常對(duì)應(yīng)的catch語(yǔ)句。

　　類型擦除的基本過(guò)程也比較簡(jiǎn)單，首先是找到用來(lái)替換類型參數(shù)的具體類。這個(gè)具體類一般是Object。如果指定了類型參數(shù)的上界的話，則使用這個(gè)上界。把代碼中的類型參數(shù)都替換成具體的類。同時(shí)去掉出現(xiàn)的類型聲明，即去掉《》的內(nèi)容。比如T get（）方法聲明就變成了Object get（）；List就變成了List。

　　泛型的實(shí)現(xiàn)原理

　　因?yàn)榉N種原因，Java不能實(shí)現(xiàn)真正的泛型，只能使用類型擦除來(lái)實(shí)現(xiàn)偽泛型，這樣雖然不會(huì)有類型膨脹（C++模板令人困擾的難題）的問(wèn)題，但是也引起了許多新的問(wèn)題。所以，Sun對(duì)這些問(wèn)題作出了許多限制，避免我們犯各種錯(cuò)誤。

　　保證類型安全

　　首先第一個(gè)是泛型所宣稱的類型安全，既然類型擦除了，如何保證我們只能使用泛型變量限定的類型呢？java編譯器是通過(guò)先檢查代碼中泛型的類型，然后再進(jìn)行類型擦除，在進(jìn)行編譯的。那類型檢查是針對(duì)誰(shuí)的呢，讓我們先看一個(gè)例子。

　　ArrayList arrayList1=new ArrayList（）; // 正確，只能放入String

　　ArrayList arrayList2=new ArrayList（）; // 可以放入任意Object

　　這樣是沒(méi)有錯(cuò)誤的，不過(guò)會(huì)有個(gè)編譯時(shí)警告。不過(guò)在第一種情況，可以實(shí)現(xiàn)與 完全使用泛型參數(shù)一樣的效果，第二種則完全沒(méi)效果。因?yàn)椋緛?lái)類型檢查就是編譯時(shí)完成的。new ArrayList（）只是在內(nèi)存中開(kāi)辟一個(gè)存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)任何的類型對(duì)象。而真正涉及類型檢查的是它的引用，因?yàn)槲覀兪鞘褂盟胊rrayList1 來(lái)調(diào)用它的方法，比如說(shuō)調(diào)用add（）方法。所以arrayList1引用能完成泛型類型的檢查。 而引用arrayList2沒(méi)有使用泛型，所以不行。

　　類型檢查就是針對(duì)引用的，誰(shuí)是一個(gè)引用，用這個(gè)引用調(diào)用泛型方法，就會(huì)對(duì)這個(gè)引用調(diào)用的方法進(jìn)行類型檢測(cè)，而無(wú)關(guān)它真正引用的對(duì)象。

　　實(shí)現(xiàn)自動(dòng)類型轉(zhuǎn)換

　　因?yàn)轭愋筒脸膯?wèn)題，所以所有的泛型類型變量最后都會(huì)被替換為原始類型。這樣就引起了一個(gè)問(wèn)題，既然都被替換為原始類型，那么為什么我們?cè)讷@取的時(shí)候，不需要進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換呢？

　　public class Test {

　　public static void main（String［］ args） {

　　ArrayList list=new ArrayList（）;

　　list.add（new Date（））;

　　Date myDate=list.get（0）;

　　}

　　}

　　編譯器生成的class文件中會(huì)在你調(diào)用泛型方法完成之后返回調(diào)用點(diǎn)之前加上類型轉(zhuǎn)換的操作，比如上文的get函數(shù)，就是在get方法完成后，jump回原本的賦值操作的指令位置之前加入了強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的類型由編譯器推導(dǎo)。

　　泛型中的繼承關(guān)系

　　先看一個(gè)例子：

　　class DateInter extends A {

　　@Override

　　public void setValue（Date value） {

　　super.setValue（value）;

　　}

　　@Override

　　public Date getValue（） {

　　return super.getValue（）;

　　}

　　}

　　先來(lái)分析setValue方法，父類的類型是Object，而子類的類型是Date，參數(shù)類型不一樣，這如果實(shí)在普通的繼承關(guān)系中，根本就不會(huì)是重寫(xiě)，而是重載。

　　public void setValue（java.util.Date）; //我們重寫(xiě)的setValue方法

　　Code：

　　0： aload_0

　　1： aload_1

　　2： invokespecial #16 // invoke A setValue

　?。海↙java/lang/Object;）V

　　5： return

　　public java.util.Date getValue（）; //我們重寫(xiě)的getValue方法

　　Code：

　　0： aload_0

　　1： invokespecial #23 // A.getValue

　?。海ǎ㎜java/lang/Object;

　　4： checkcast #26

　　7： areturn

　　public java.lang.Object getValue（）; //編譯時(shí)由編譯器生成的方法

　　Code：

　　0： aload_0

　　1： invokevirtual #28 // Method getValue：（） 去調(diào)用我們重寫(xiě)的getValue方法

　　;

　　4： areturn

　　public void setValue（java.lang.Object）; //編譯時(shí)由編譯器生成的方法

　　Code：

　　0： aload_0

　　1： aload_1

　　2： checkcast #26

　　5： invokevirtual #30 // Method setValue; 去調(diào)用我們重寫(xiě)的setValue方法

　　）V

　　8： return

　　并且，還有一點(diǎn)也許會(huì)有疑問(wèn)，子類中的方法 Object getValue（）和Date getValue（）是同 時(shí)存在的，可是如果是常規(guī)的兩個(gè)方法，他們的方法簽名是一樣的，也就是說(shuō)虛擬機(jī)根本不能分別這兩個(gè)方法。如果是我們自己編寫(xiě)Java代碼，這樣的代碼是無(wú)法通過(guò)編譯器的檢查的，但是虛擬機(jī)卻是允許這樣做的，因?yàn)樘摂M機(jī)通過(guò)參數(shù)類型和返回類型來(lái)確定一個(gè)方法，所以編譯器為了實(shí)現(xiàn)泛型的多態(tài)允許自己做這個(gè)看起來(lái)“不合法”的事情，然后交給虛擬器去區(qū)別。

　　我們?cè)倏匆粋€(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的例子。

　　class A {

　　Object get（）{

　　return new Object（）;

　　}

　　}

　　class B extends A {

　　@Override

　　Integer get（） {

　　return new Integer（1）;

　　}

　　}

　　public static void main（String［］ args）{

　　A a = new B（）;

　　B b = （B） a;

　　A c = new A（）;

　　a.get（）;

　　b.get（）;

　　c.get（）;

　　}

　　反編譯之后的結(jié)果

　　17： invokespecial #5 // Method com/suemi/network/test/A.””：（）V

　　20： astore_3

　　21： aload_1

　　22： invokevirtual #6 // Method com/suemi/network/test/A.get：（）Ljava/lang/Object;

　　25： pop

　　26： aload_2

　　27： invokevirtual #7 // Method com/suemi/network/test/B.get：（）Ljava/lang/Integer;

　　30： pop

　　31： aload_3

　　32： invokevirtual #6 // Method com/suemi/network/test/A.get：（）Ljava/lang/Object;

　　實(shí)際上當(dāng)我們使用父類引用調(diào)用子類的get時(shí)，先調(diào)用的是JVM生成的那個(gè)覆蓋方法，在橋接方法再調(diào)用自己寫(xiě)的方法實(shí)現(xiàn)。

　　泛型參數(shù)的繼承關(guān)系

　　在Java中，大家比較熟悉的是通過(guò)繼承機(jī)制而產(chǎn)生的類型體系結(jié)構(gòu)。比如String繼承自O(shè)bject。根據(jù)Liskov替換原則，子類是可以替換父類的。當(dāng)需要Object類的引用的時(shí)候，如果傳入一個(gè)String對(duì)象是沒(méi)有任何問(wèn)題的。但是反過(guò)來(lái)的話，即用父類的引用替換子類引用的時(shí)候，就需要進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。編譯器并不能保證運(yùn)行時(shí)刻這種轉(zhuǎn)換一定是合法的。這種自動(dòng)的子類替換父類的類型轉(zhuǎn)換機(jī)制，對(duì)于數(shù)組也是適用的。 String［］可以替換Object［］。但是泛型的引入，對(duì)于這個(gè)類型系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的影響。正如前面提到的List是不能替換掉List的。

　　引入泛型之后的類型系統(tǒng)增加了兩個(gè)維度：一個(gè)是類型參數(shù)自身的繼承體系結(jié)構(gòu)，另外一個(gè)是泛型類或接口自身的繼承體系結(jié)構(gòu)。第一個(gè)指的是對(duì)于 List和List這樣的情況，類型參數(shù)String是繼承自O(shè)bject的。而第二種指的是 List接口繼承自Collection接口。對(duì)于這個(gè)類型系統(tǒng)，有如下的一些規(guī)則：

　　相同類型參數(shù)的泛型類的關(guān)系取決于泛型類自身的繼承體系結(jié)構(gòu)。即List可以賦給Collection 類型的引用，List可以替換Collection。這種情況也適用于帶有上下界的類型聲明。 當(dāng)泛型類的類型聲明中使用了通配符的時(shí)候， 這種替換的判斷可以在兩個(gè)維度上分別展開(kāi)。如對(duì)Collection